專利名稱：Led二維發光模塊及led顯示屏的制作方法
技術領域：
本發明涉及以半導體發光二極管(LED)為發光體的顯示屏，尤其涉及LED二維發光模塊，以及以此模塊作為基礎部件組合而成的LED顯示屏，屬于LED與顯示技術領域。
背景技術：
LED被發明以后，其應用范圍不斷擴大從最初的儀表顯示到現在的照明應用，LED已全面進入我們生活當中。在LED各種應用當中，顯示屏占據了較大部分的市場。隨著LED技術不斷進步，LED顯示屏得到很大發展，從最初的室內單色屏發展到現在的戶外全彩屏，LED顯示屏在戶外全彩屏中一枝獨秀，已基本上取代以前的CRT電視墻。但是應當看到有些LED顯示屏，特別是一些戶外屏，在使用一段時間后相繼出現色差、死點等問題，圖像出現花屏、色彩失真，產生這些問題的主要原因是目前的LED顯示屏結構上存在缺陷。
現有技術中LED顯示屏是將LED晶粒封裝成8×8數碼點陣模塊，若干只數碼點陣模塊組裝于一塊控制線路板上，再由若干塊控制線路板組合成需要的LED顯示屏。數碼點陣模塊的基本構成如圖1所示LED晶粒1固定于一側焊有金屬針連接件4的印刷電路板2上面，再將印刷電路板2裝入塑料制作的反射蓋3當中，灌以環氧樹脂膠5，將印刷電路板2上的晶粒1前后都包住，烘烤成型，從而形成陣點6。數碼點陣模塊制作完畢，通過金屬針連接件4利用錫焊組裝到控制線路板上，進而組合成LED顯示屏。這里，金屬針連接件4承擔導電和傳熱雙重作用。
眾所周知，環氧樹脂膠的導熱性能比較差，LED晶粒在發光時產生的熱量無法迅速傳導出去，只能在晶粒周圍慢慢累積，使LED芯片內部溫度逐漸上升。而LED晶粒的發光特性對于晶粒內部溫度非常敏感，LED晶粒內部溫度上升將導致發光效率下降；當LED晶粒內部溫度上升到一定程度會導致LED失效，LED晶粒的預期使用壽命將難以保證。所以，現有技術中的這種數碼點陣模塊在使用一段時間后發光性能衰減，出現色差、死點等現象，不能有效傳熱是主要原因。
其次，現有技術在生產數碼點陣模塊過程中，用于灌封的環氧樹脂膠的性能指標和灌封用量在每一生產批次中都可能存在差異，灌膠后的烘烤條件也不可能始終控制在最為合適的狀態，致使膠體烘烤過程中可能會產生硬化不完全或者膠裂等不良現象。在將印刷電路板放入反射蓋時，往往會有一些微小氣泡附在印刷電路板上無法逸出，這些小氣泡容易附著于晶粒邊緣或金屬連接線附近，當LED晶粒發熱時這些氣泡受熱膨脹，可能會將LED晶粒擠壓得崩裂或者擠斷LED連接線，造成該模塊使用一段時間后就出現色差和死點。
第三，LED數碼點陣模塊使用的反射蓋的材質多為PC塑料，采用注塑方式成型。而封裝所用的環氧樹脂，其玻璃轉化溫度Tg比較高，在環氧樹脂從液態轉化成固態時發出大量的熱，膠體中心溫度會高達150℃，在此溫度下PC材質的反射蓋四周會發生變形。這種變形在組裝成顯示屏之后存在肉眼明顯可見的拼接縫。同時，PC材質的反射蓋在注塑成型時，由于溫度較高材料會產生較大的熱應力，大面積模塊可能會出現翹曲變形等現象。這對于單個模塊肉眼可能不容易察覺，但是采用若干LED數碼點陣模塊組裝成大型顯示屏時，這些問題將顯得非常突出，影響顯示屏的可觀看性。
此外，傳統的LED數碼點陣模塊在制作過程中不可能對所有的晶粒進行嚴格篩選和老化，在組成顯示屏時會明顯呈現亮度和色彩不均勻，需花費大量的時間進行一致性調試。而不同模塊的使用條件并不相同，經過一段時間運行之后，各模塊的亮度和色彩又會不一致，對顯示屏的色彩質量構成較大影響。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，從改變LED晶粒的封裝方式入手，提供一種性能更為優越的LED二維發光模塊，進而利用這種模塊組合成散熱效果好、使用壽命長、圖像質量優的LED顯示屏。
本發明的目的通過以下技術方案來實現LED二維發光模塊，包括表面層、中間層、底層。表面層內含有排列整齊的二維陣點，每個陣點內部設置有一只LED晶粒，底層安裝有控制和驅動該模塊使用的元器件和連接件。在中間層與表面層相接觸的一面、對應于每個陣點位置均設有焊盤，中間層的另一面設置有印刷電路，LED晶粒固定在焊盤上，并且通過金屬導線穿過中間層與印刷電路進行電氣連接，LED外表面涂有保護膠。
進一步地，上述LED二維發光模塊中，表面層在每個陣點位置設置圓形或橢圓形直孔或者錐孔；是錐孔時廣口朝外，孔的內壁是LED發射光線的反射壁，反射壁上鍍有金屬鎳或銀。
更進一步地，上述LED二維發光模塊中，所述直孔或者錐孔的底部最大直徑為2～5mm。
而且，上述LED二維發光模塊中，該模塊還設有用于電氣連接或導熱的橫向通孔，通孔內部可以填有金屬銅或者其它導熱材料。
另外，上述LED二維發光模塊中，所述LED晶粒外表面涂的保護膠是硅膠或者環氧樹脂膠；此外，上述LED二維發光模塊中，常用的點陣模式是16×32、32×32或者32×64。
LED顯示屏，用上述任意一種LED二維發光模塊作為基礎模塊，經組合后形成單色、雙色或者全彩色LED顯示屏。
本發明提供了一種采用多層線路板的點陣晶片封裝的LED二維發光模塊，并以此作為基礎部件組合成半導體發光二極管顯示屏。與現有技術相比，本發明具有以下獨特的優點(1)結構簡單。本發明LED二維發光模塊是將晶片直接封裝于多層線路板上，多層板同時具備固定晶粒、連接線路和散熱等多項功能，模塊厚度薄、體積小、組合簡便，可以單個使用，也可以組合使用。用它作為基礎部件，可以非常容易地組裝成大面積、高清晰度的LED顯示屏。
(2)改善了散熱，提高了可靠性。本發明基于多層控制線路板，采用的材料機械和熱穩定性比較好，產品能夠適應較寬的溫度范圍。LED采用多重路徑以提高散熱效果，LED晶粒貼裝的碗壁鍍有金屬進行反光和傳熱，多層線路板金屬化電路過孔以及填埋的導熱材料，均有利于LED晶粒散熱。
(3)陣列規模大、點距小。傳統的LED數碼點陣模塊規模通常為8×8，而LED二維發光模塊陣列的規模大，間距可以做得很小，增加了顯示像素，能顯著提高顯示屏圖像的清晰度，在同樣的應用背景下，其生產成本大為降低，成品率大幅度提高。
(4)提高顯示屏圖像質量。傳統的LED數碼點陣模塊在其制作之前不可能對所有的LED晶粒進行嚴格篩選和老化，封裝之后即使檢測到不良晶粒也難以進行返修，影響顯示屏的圖像質量。而本發明可以在制作過程中進行老化測試，對不良晶粒可以立即返修，使顯示屏圖像質量得到可靠保證。
圖1是現有技術LED顯示屏的使用的8×8數碼點陣模塊。
圖2是圖1的基本封裝模式示意圖。
圖3是本發明LED二維發光模塊的一種形式(陣列規模32×16)。
圖4是圖3中間層對應于LED發光陣點一面的焊盤分布圖。
圖5是本發明LED二維發光模塊的封裝模式示意圖。
具體實施例方式
本發明是為了改善現有LED數碼點陣模塊的散熱性能，從根本上解決LED二維發光模塊用于顯示屏——特別是一些戶外屏，在使用一段時間以后相繼出現的色差、死點、整體屏上圖像發生花屏、色彩失真等問題，而提出的一種全新技術方案。發明的出發點是將LED晶粒直接封裝于控制線路板上，達到固定發光晶粒、連接線路和散熱的目的。
控制線路板可以為三層或更多層板結構，但是無論多少層，都可以歸結為三大功能層面。其中表面層部分為出光傳熱層，表面層均勻制作若干個圓形或橢圓形狀的碗杯，碗壁鍍銀、鎳等金屬進行反光和傳熱。表面層帶有反射碗，碗底與中間層的線路有導熱接觸。中間層部分的線路起固定晶粒和焊接金屬連接線作用。
中間層為晶粒粘貼層，晶粒利用銀膠、銦金或其它合金固定于碗杯底部區域正中部位，通過金屬絲與線路進行電氣連接。芯片工作時所產生的熱量通過鍍有金屬的碗杯和晶粒固定的焊盤過孔傳出。中間層線路與表面層及底層線路之間通過金屬過孔相連，也可以將部分熱量散發出去。
底層部分是控制線路層，可以對每個發光點進行控制。LED點陣晶粒控制和驅動的集成電路及元件貼裝在底層部分印刷電路板上，再焊接必要的電路連接件，以作為控制和擴展用。
表面層的反光碗杯最后再用硅膠或環氧樹脂膠進行封膠，碗底的晶粒發光經過硅膠或環氧樹脂導出后經過碗壁的反光和聚光得到一個發光點。保護膠的表面再用模具進行二次透鏡成型，以獲得最佳出光角度和效果。
圖3是本發明LED二維發光模塊的一種形式，其陣列規模為32×16，圖4是圖3中間層對應于LED發光陣點一面的焊盤分布圖。圖5是本發明LED二維發光模塊的一種典型的封裝模式，其結構特征是它總體上可分為表面層11、中間層12和底層13三層，表面層11上面排列著整齊的二維陣點，每個陣點內部設置有一只LED晶粒15，底層13安裝有控制和驅動該模塊使用的元器件和連接件，在中間層12與表面層11相接觸的一面、對應于每個陣點位置均設有焊盤，中間層12的另一面設置有印刷電路，LED晶粒15固定在焊盤上，并且通過金屬導線穿過中間層與印刷電路進行電氣連接，LED晶粒15的外表面涂有硅膠或者環氧樹脂膠等保護膠16，其周圍是反射壁17，它是在表面層11每個陣點位置設置圓形或橢圓形直孔或者錐孔、并且在側壁鍍上金屬鎳或銀之后形成的光反射壁，上述所述直孔或者錐孔的底部最大直徑為2～5mm。另外，該模塊上還設置有若干只橫向通孔14，以用于電氣連接或導熱，其內部可以填有金屬銅或者其它導熱材料，如14b，也可以不填充其它材料，如14a。
制作本發明LED二維發光模塊，可以分成以下兩大步驟一、多層控制線路板的制備表面層部分線路板的基板采用厚度在1.5～4mm的雙面板。根據最終產品的面積和點陣晶粒發光點的數量在基板上首先加工孔徑2～5mm的通孔以制作碗杯，根據產品的設計，通孔可以成形為圓形孔，也可以為橢圓形孔；可以為直孔，也可以是錐孔，錐度可以在10～90度之間選取。對于碗壁需通過鍍鎳或鍍銀進行反光層處理，以獲得良好的反光和聚光效果。鍍鎳層的厚度不得少于3um，鍍銀層厚度不少于1um。
基板還需要加工若干孔徑0.2～1.0mm的電氣和導熱過孔，利用化學沉積的方法對孔進行沉銅處理，利用化學鍍銅的工藝對沉銅層加厚，再用導熱材料將過孔填滿以達到最佳導熱效果，但對于小功率微熱的單色產品，過孔也可不進行填埋。
中間層部分為厚度為1～2mm的多層印刷電路板上，其中一面用作底層部分，制作控制功能的印刷線路，另一面則制作固定晶粒的線路，多層板中根據需要也可以制作線路。固定晶粒部位的加工是先鍍銅，銅層厚度控制在10um以上，再電鍍一層厚度3um的鎳和一層厚度0.3um的金。
在多層印刷電路板上加工若干孔徑0.2～1.0mm的電氣和導熱過孔，通過成像、顯影、蝕刻、檢驗等工序，完成多層線路板制作。
當將兩塊線路板都處理好之后，即可將它們定位和重疊粘合，粘合時要保證碗杯孔的周圍沒有粘合劑，以保證碗底與中間層的線路有可靠的導電和導熱接觸。此外需要在50～130℃溫度下烘烤10～60分鐘。至此完成多層控制線路板的制備。
二、LED二維發光模塊制作1、固晶粒。采用粘合劑粘合，粘合劑的選擇主要考慮的是導熱性能、導電性能及結合強度。粘合劑的種類有導電銀膠、環氧樹脂、熒光粉等但不限于此類。粘合劑可用加熱的方式進行加快固化處理。加熱時溫度控制在100～150℃，時間10～60分鐘。
2、焊接連接金屬導線。利用焊線的設備進行金屬導線的連接加工，選用的金屬導線直徑依發光晶粒的大小和類型不同而不同，一般在0.0254～0.05mm之間，材質可為金、鋁或其它合金絲。隨后再進行保護性封膠處理，選用的膠體有硅膠和(或)環氧樹脂膠。
3、控制線路元器件的焊裝。將控制和驅動集成電路以及相關的表面貼裝電阻、電容等電氣元器件全部貼裝于相應的焊盤位置上，再焊接上必要的連接件，經過通電和檢測，LED二維發光數碼模塊制作即告完成。
上述LED二維發光模塊陣列規模可以大大超過8×8，常用的點陣模式是16×32、32×32或者32×64，陣列的間距可以做得很小。模塊可以單個使用，也可以組合使用。以其作為基礎部件組合成半導體發光二極管顯示屏，可以制成單色、雙色或者全彩色的大面積、高清晰度超薄LED顯示屏。
權利要求
1.LED二維發光模塊，包括表面層[11]、中間層[12]、底層[13]，表面層[11]內含有排列整齊的二維陣點，每個陣點內部設置有一只LED晶粒，底層[13]安裝有控制和驅動該模塊使用的元器件和連接件，其特征在于在中間層[12]與表面層[11]相接觸的一面、對應于每個陣點位置均設有焊盤，中間層[12]的另一面設置有印刷電路，LED晶粒固定在焊盤上，并且通過金屬導線穿過中間層與印刷電路進行電氣連接，LED外表面涂有保護膠。
2.根據權利要求1所述的LED二維發光模塊，其特征在于表面層[11]在每個陣點位置設置圓形或橢圓形直孔或者錐孔，是錐孔時廣口朝外，孔的內壁是LED發射光線的反射壁，反射壁上鍍有金屬鎳或銀。
3.根據權利要求2所述的LED二維發光模塊，其特征在于所述直孔或者錐孔的底部最大直徑為2～5mm。
4.根據權利要求1或2所述的LED二維發光模塊，其特征在于該模塊上設有用于電氣連接或導熱的橫向通孔[14]。
5.根據權利要求4所述的LED二維發光模塊，其特征在于所述通孔[14]內部填有金屬銅或者其它導熱材料。
6.根據權利要求1所述的LED二維發光模塊，其特征在于所述LED晶粒外表面涂的保護膠是硅膠或者環氧樹脂膠。
7.根據權利要求1所述的LED二維發光模塊，其特征在于模塊的點陣模式為16×32、32×32或者32×64。
8.LED顯示屏，其特征在于用上述任意一項權利要求所述的LED二維發光模塊作為基礎模塊，經組合后形成單色、雙色或者全彩色LED顯示屏。
全文摘要
本發明涉及以LED為發光體的二維發光模塊及顯示屏。LED晶粒直接封裝在多層線路板上，表面層是出光傳熱層，中間層是晶粒粘貼層，底層部分是控制線路層，使多層板兼具固定晶粒、連接線路和散熱等多項功能，制成的模塊厚度薄、體積小、散熱效果好。該模塊可以單個使用，也可以組合使用，用其作為基礎部件可以非常容易地組裝成大面積、高清晰度的LED顯示屏。
文檔編號G09F9/33GK1909028SQ2005100412
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月1日 優先權日2005年8月1日
發明者張佃環, 祁峰, 周鳴, 梁秉文 申請人:南京漢德森科技股份有限公司